Интеллектуальное зарядное устройство для автомобильных аккумуляторов напряжением 12 В

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Интеллектуальное зарядное устройство для автомобильных аккумуляторов напряжением 12 В

Аккумуляторная батарея является одним из важных элементов современного автомобиля густо начиненного всевозможной электроникой - от систем зажигания до систем безопасности, навигации и развлечения. От работоспособности аккумулятора зависит правильная работа систем автомобиля и самое главное его безопасность. Срок службы аккумулятора зависит от степени ее заряженности. Частые запуски двигателя и короткие переезды (в городском цикле) не способствуют поддержанию аккумулятора в заряженном состоянии. Недозаряженный аккумулятор в условиях холодного климата является главной причиной сульфатации пластин, а перезаряженный в условиях теплого климата является причиной разрушения решетки плюсовых пластин. А длительное зимнее простаивание автомобиля без эксплуатации тоже не способствует сохранению аккумулятора в «боевом» состоянии, аккумулятор разряжается сигнализацией, утечками токов в электронике и сама батарея имеет свойство саморазряда.

Даже если Ваш автомобиль ездит целыми днями, но имеет на борту мощную аудиосистему то аккумулятор не будет заряжаться полностью от генератора! он на это не рассчитан. Он рассчитан на "штатное" электрооборудование, всего лишь компенсирует отданную энергию при работе стартера при запуске двигателя, на дальний, ближний свет и остальные мелкие "штатные" потребители. Поэтому срок службы аккумулятора не превышает 5 лет и для продления срока службы очень важно, чтобы аккумулятор был всегда заряжен.

Существует несколько вариантов зарядки аккумулятора:

- Зарядка постоянным током.

- Зарядка постоянным напряжением.

- Зарядка импульсным током (пульсирующий и ассиметричный ток).

- Контрольно-тренировочный цикл.

- Зарядка по Вудбриджу (правило ампер-часов).

У каждого из этих способов есть свои достоинства и недостатки. [Л.1]

Чтобы продлить жизнь вашему аккумулятору (от 5 до 11 лет) и таким образом избавить от частых замен этой важной и недешевой в автомобиле запчасти предлагается вниманию автоматическое зарядное устройство (далее З.У.), которое сочетает в себе несколько способов зарядки и восстановления старых засульфатировавшихся аккумуляторов - зарядка током, 1/10 от номинала емкости, с последующей дозарядкой постоянным напряжением 14,8в. до набора максимально возможной емкости, с последующей «добивкой» капельным методом, который позволяет достичь наиболее полной, почти 100% зарядки аккумулятора. После полного заряда включается режим поддержания заряда акуумулятора (т.н. буфферный режим), при котором компенсируется ток саморазряда или каких то незначительных потребителей (например автосигнализации).

В начале зарядки аккумулятор диагностируется на возможность дальнейшей зарядки. Если напряжение ниже 10,8В, но больше 7,5В - включается режим восстановления батареи. Для этого З.У. начинает работу в импульсном режиме с малым током. Как только напряжение повышается до уровня 10,8В устройство заканчивает импульсную зарядку. Если при диагностике напряжение на аккумуляторе окажется выше 10,8В режим импульсной зарядки пропускается. (Импульсная зарядка в данном случае не является десульфатацией, этот режим включается в процессе основной зарядки). Таким образом, если батарея диагностирована как рабочая З.У. ее заряжает зарядным током чередующимся с импульсами разряда в соотношении 1:10. что положительно сказывается на продолжительности работы аккумулятора, т.к. батарее одновременно с зарядкой производится "тренировка". (Время заряда на 10% больше, чем без тренировки. Этот режим можно отключать через настройки).

Также имеется режим тренировки аккумулятора принудительная разрядка аккумулятора, в конце зарядки и далее по кругу. В конце заряда желательно замерить ареометром плотность электролита (в обслуживаемых аккумуляторах) и при необходимости подкорректировать его дистиллированной водой или электролитом. Если плотность мала - долить электролит с плотностью 1,40 г/см³, если высока - долить дистиллированной воды. Затем произвести зарядку в течение получаса и вновь проконтролировать плотность электролита. Летом плотность должна быть в пределах 1,24 г/см³, а зимой 1,28 г/см³. Отклонение плотности от номинала на 0,04 г/см³ указывает на разряд аккумулятора на 25%, а если плотность отличается на 0,08 г/см³ - разряд на 50%. В большинстве случаев автолюбители не уделяют такого внимания, некоторым проще купить новый аккумулятор (да и многие современные аккумуляторы не имеют пробок для доступа к электролиту, вместо него один «глазок» и то не у всех) и поэтому очень важно возложить функцию "правильной" зарядки на «умную» электронику, что и было реализовано в данном зарядном устройстве в т.ч. и "замер" плотности электролита.

Данная конструкция отличается от имеющихся в продаже аналогов тем, что осуществляет щадящий режим зарядки (постепенное наращивание тока заряда), визуально отображаются все стадии зарядки не только одной-двумя лампочками, а на большом цифровом дисплее, показывающем реальный ток и напряжение зарядки и главное тенденцию изменения этих параметров, зарядное устройство легкое в управлении (только на первый взгляд кажется, что сложно, а после ознакомления или работы с ним все становится ясно и доступно), предоставляет много дополнительной информации (время заряда, накопленная емкость в А/ч, плотность электролита на момент окончания заряда, отданная емкость от аккумулятора к нагрузке в режиме разрядки, все параметры доступны для изменения в режиме настройки), имеет режим десульфатации, режим восстановления глубоко разряженных аккумуляторов, имеет систему диагностики, которая сообщает возможно ли вообще восстановление аккумулятора, имеет два различных буфферных режима поддержания заряда после полного заряда, имеет контроллируемый режим тренировки аккумулятора циклический заряд-разряд, работает в автоматическом режиме с таймером ограничивающим максимальное время зарядки, самое главное при прекращении подачи напряжения после восстановления питания продолжает работать далее в той же стадии зарядки, что была до пропажи напряжения, что позволяет оставлять его без присмотра, чего не имеют аналогичные З.У. имеющиеся в продаже! З.У. имеет функцию анализатора оставшейся емкости заряда в аккумуляторе, рассчитываемое по результатам замера падения напряжения при реальном старте двигателя с помощью стартера, информация отображается в виде наименьшего напряжения при работе стартера, а также значение оставшейся емкости в процентах от 0 до 100%

Основные технические характеристики интеллектуального зарядного устройства

Таблица 1

Первый цикл зарядки производит диагностику батареи и обеспечивает заряжаемый аккумулятор постепенно возрастающим током, максимум которого установлен в настройках зарядного устройства параметр Р.2, обычно равный 1/10 емкости заряжаемого аккумулятора. Как только напряжение на аккумуляторе достигает 14,8в параметр Р.1 происходит переход на второй цикл - поддержание напряжения на уровне 14,8В до тех пор, пока ток зарядки не упадет до минимального значения (0,01 от номинальной емкости), который также устанавливается в настроечных параметрах зарядного устройства параметр Р.3.

Аккумулятор считается заряженным, если ток и напряжение не будут изменяться в течение 1-2 часов, что отслеживает данное З.У. Затем следует «капельная» зарядка при которой подается импульс зарядки с чередованием паузы в соотношении 1/4. ток капельной зарядки - тот, который был на момент достижения напряжения параметра Р.1. В результате аккумулятором наиболее полно происходит «усваивание» емкости. Весь процесс зарядки отображается на цифровом табло - слева три цифры - напряжения на аккумуляторе, справа - ток зарядки. Также предусмотрен индикатор - мигающая точка, индицирующая визуально различные режимы зарядки.

Также в любой момент времени с помощью кнопок управления возможно вызвать на экран дисплея значение времени (ЧЧ, ММ) зарядки, которое контролируется если в настройках указано не нулевое время, по окончании которого происходит переход в режим поддержания заряда аккумулятора, в котором аккумулятор может находиться длительное время. Нажатием кнопки "Режим зарядки" отображается режим или стадия зарядки в виде текста на дисплее: "St.0 St.1 St.2 St.3 St.4", где 0 - режим ожидания/пауза, 1,2 - зарядка, 3 - капельная зарядка, 4 - поддержание заряда.

В процессе заряда, если зарядный ток повышается более, чем на 0,2А от заданного параметром Р.2 - происходит автоматическое его уменьшение и продолжение работы. Если по каким-то причинам ток отрегулировать не удается, происходит отключение режима заряда и переход в режим ожидания. Аналогичным образом, в режиме поддержания заряда, если вдруг аккумулятор начнет брать больший ток, нежели установлен настроечным параметром Р. происходит отключение режима и переход в режим ожидания.

В процессе заряда устройство подсчитывает количество отданных аккумулятору ампер часов, вызвать на дисплей это значение можно в режиме зарядки 1,2,3 двойным нажатием на кнопку «Старт/Инфо» за отображением времени зарядки последует отображение отданной емкости аккумулятору. Подсчет ведется на всех режимах зарядки, кроме ожидания и поддержания заряда.

В конце зарядки можно узнать плотность электролита в аккумуляторе, подсчитанная по формуле Плотность = U/6 - 0,84 (const). Вызвать на дисплей это значение можно тройным коротким нажатием на кнопку «Старт/Инфо». Работает только в режиме «Ожидание/Пауза». На дисплее поочередно появляется: «Время зарядки» - «Отданная емкость» - «Плотность электролита» Значение плотности на дисплее отобразится в единицах "г/см³"

Визуально процесс зарядки иллюстрирован на графиках рис. 1.

Для режима разрядки предусмотрена отдельная нагрузка, подключаемая дополнительным транзисторным ключем, т.о. в режиме десульфатации работает один ключ, в режиме разряда - два ключа, что позволяет быстрее осуществлять процесс разряда емких аккумуляторов и не "мешать" десульфатации. Этот вариант схемы имеющиеся заводские печатные платы не предусматривают такого варианта и при повторении конструкции требуется добавление одного ключа навесным монтажом, либо на дополнительной печатной плате.

Рис. 1 Графическое представление работы З.У.

От режима анализатора емкости аккумулятора главным образом предназначен для ответа на вопрос - а не пора ли менять аккумулятор? Не подведет ли он в зимние морозы? Производить анализ следует после ночной стоянки, а не после дневной езды. Этот режим включается с помощью кнопки "Режим зарядки". Для этого необходимо выключить З.У. Далее надо нажать кнопку "Режим зарядки" и удерживая ее в нажатом состоянии включить питание З.У. На индикаторе не будет ничего, далее отпустить кнопку, появится надпись "Reset" после чего появится отображение индикации тока и напряжения, т.е. ноли.

Подключить клеммы З.У. к аккумулятору в автомобиле. Произвести запуск двигателя стартером, по прошествии 12 секунд на дисплее отобразится результат анализа - наименьшее значение напряжения аккумулятора в Вольтах, которое было при старте двигателя (на левом индикаторе) и значение оставшейся емкости аккумулятора в % (на правом индикаторе). Значение оставшейся емкости рассчитывается с шагом 5/10% в зависимости от полученных данных при старте двигателя.

Визуально работа анализатора оставшейся емкости аккумулятора иллюстрирована на графиках рис. 2

Рис. 2 Графическое представление анализатора оставшейся емкости

Настроечные параметры достаточно установить один раз для зарядки аккумулятора определенной емкости. Параметры запоминаются в энергонезависимой памяти устройства и при следующем включении, если заряжается аналогичный предыдущему аккумулятор нет необходимости делать настройки заново. Подробнее о настроечных параметрах:

Установка настроечных параметров.

Нажать и удержать кнопку «Установка», на левом индикаторе отобразится "Р .1", на правом "14.8", кнопками управления «Плюс», «Минус» можно изменить параметр Р.1 в большую или меньшую сторону, переход между параметрами - короткое нажатие кнопки «Установка». После установки всех параметров произойдет запись значений во внутреннюю память контроллера, что будет видно по индикатору. Также следует отметить, что после прошивки контроллера, или после выполнения "железного сброса" в контроллере прописываются настроечные параметры, достаточные для начала работы и зарядки среднестатистического аккумулятора емкостью 40-50 А/ч

Таблица 2. Стадии зарядки

Конструкция зарядного устройства классически проста, с применением недорогих деталей, единственная важная деталь - микроконтроллер «Microchip» PIC18F4520. Схема изображена на рис. 3. Индикация информации осуществляется с помощью двух 3-х разрядных светодиодных индикаторах красного свечения с общим катодом. Силовой трансформатор Тr1 любой, мощностью 160Ватт, напряжение на вторичной обмотке 18-25в, при токе 5-6А. В авторском З.У. применен трансформатор на витом железе типа ОСМ1-0,16У3, вторичная обмотка которого перемотана.

Логично было бы разместить еще одну обмотку для питания схемы автоматики, но она не влезла в него, я применил отдельный, маломощный (диаметр с обмотками 50 мм.) тороидальный трансформатор выдающий напряжение на вторичной обмотке 10-11 вольт, при токе 0,5А. Схема управления потребляет ток около 100мА вместе с 6 индикаторами (применена динамическая индикация, при которой в один момент времени светится только один цифровой индикатор). Следует заметить, что для тех, кто собирает вариант З.У. на 10А, необходимо применить трансформатор с габаритной мощностью не менее 300Ватт, вторичную обмотку мотать либо шиной сечением 5 мм2 либо в два провода диаметром 2 мм.

Регулирующий элемент - транзистор VТ1 необходимо установить на радиаторе полезной площадью не менее 200 см2, а для 10А площадь должна быть раза в 3-4 больше! вентилятор (применен 80мм. от компьютерного блока питания с терморегулятором, прикрепленным к корпусу радиатора) расположить возле радиатора, чтобы обеспечить достаточный отвод тепла. 100 мм. вентилятор тоже сгодится, даже будет работать с меньшим шумом. Важно! Плата управления на микроконтроллере запитывается от отдельного трансформатора TR2, или отдельной вторичной обмотки транса TR1, гальванически развязанной от силовой обмотки!

Связано с тем, что транзистор VT1 имеет встроенный диод в обратном направлении. Никаких вариантов запитки платы управления от силовой части, от ее отводов категорически не рекомендуется делать! Диодный мост на радиаторах, собран на печатной плате размером 69*94мм, Рис. 4, блок управления на печатке размером 96*67мм Рис. 5. В качестве нагрузочного резистора R31 удобно применить автомобильную лампочку соответствующей мощности. Для этого режима зарядки лучше использовать лампочку с током потребления 1/10 от емкости аккумулятора, а для разрядки можно их кол-во увеличить и соответственно ток разрядки для больших емкостей аккумуляторов (транзистор VT9 позволяет коммутировать ток до 40А). Для тех, кто любит полную автоматизацию предусмотрен второй разрядный ключик, на VT11 схему смотреть здесь: см. схему который работает только в момент предварительной разрядки и на ток десульфатирующей цепочки не влияет.

Два трехразрядных индикатора (красного цвета расположены на передней панели прибора и легко читаемы с большого расстояния, например в гараже с 6 метров) на печатной плате размерами 158*40мм. Рис. 6, Если возникнут трудности с приобретением таких больших индикаторв без проблем можно подправить печатку под меньшие матрицы, расположение ножек идентично, но они будут на меньшем расстоянии друг от друга. пять кнопок управления расположены ниже индикаторов, на печатной плате размерами 148*25мм Рис. 7.

Печатные платы в формате SprintLyout v4.0 можно скачать здесь. Здесь можно скачать другой вариант печатки (см. Рис. 5а, 5b, 5с), (Обратите внимание на то, что файл печаток предназначен для ЛУТ-метода изготовления, т.е. в зеркальном виде!) с учетом реализации разрядной/ десульфатирующей цепочки формат Sprint Layout v.5.0 (отдельное спасибо "afp") на ней плата индикаторов и кнопок управления совмещена в одну. При желании, возможно изменить расположение кнопок управления под Ваш вкус соответствующей перепайкой проводов, соединяющих между собой платы. Печатные платы изготовленные заводским способом с защитным покрытием и нанесенными позиционными обозначениями радиодеталей, соответствующие принципиальной схеме облегчают сборку и исключают замыкания между дорожками - см. Рис. 5d, 5e. В действии - дозарядка уже заряженного аккумулятора - см. видео.

З.У. можно использовать и как регулируемый блок питания, для этого необходимо кратковременно нажать на кнопку S5"Установка параметров" переключатель S7 переводят в положение «Ручной» и потенциометром R29 устанавливают требуемое выходное напряжение, контролируя его по индикатору напряжения слева. В таком варианте можно заряжать аккумуляторы номиналом 6в, но в ручном режиме, без автоматики. Резистор R30 необходимо замкнуть накоротко, чтобы была возможность установить напряжение ниже 10 вольт. Для выключения ручного режим необходимо еще раз нажать кратковременно кнопку S5 "Установка параметров", а переключатель S7 переводят в положение «Автомат».

Настройка З.У.

Прошив контроллер и проверив работоспособность светодиодных индикаторов (при правильном монтаже печатной платы и прошивке контроллера) на них должно высвечиваться в канале напряжения любое "осмысленное" трехразрядное значение, а в канале тока, при неподключенной нагрузке - ноли.

1. Для исключения влияния управлением зарядки контроллером на время наладки (п.1 и п.3) отключить 6 ножку контроллера сигнал "Vreg" от 3 ножки DA1.1, либо перевести З.У. в режим блока питания кратковременным нажатием кн. S5 "Установка параметров", Переключателем S7 переводят З.У. в положение "ручное управление", устанавливают R29 примерно в среднее положение и контроллируя напряжение на выходе по образцовому вольтметру (желательно не применять китайские мультиметры, т.к. у него погрешность бывает доходит до 0,1В) и напряжение отображаемое дисплеем З.У. канал измерения напряжения, подбором номиналовR5, R7, R10 добиваются идентичности показаний напряжения образцового вольтметра и дисплея З.У.

2. Затем, переключив З.У. в автоматический режим с помощью S7, кнопкой S5 "Режим" устанавливают режим поддержания заряда аккумулятора (см. подробнее таблицу "назначение кнопок"). По умполчанию, после прошивки контроллера, если вы не делали пользовательскую настройку с иными значениями З.У. должно установить напряжение 14,4В. (контролировать это напряжение уже можно по дисплею З.У.) Если это не так - подбором номиналов резисторов R4, R6 устанавливают напряжение с точностью 0,1в. Если эти настройки сделаны, то дальнейшая работа З.У. в части соответствия реального напряжения и установленных значений будет выполняться автоматически. Если это не так или наблюдается сдвиг в какую- либо сторону - подберите другой экземпляр резистораR28 и проведите заново настройку п.2. Резисторы R28 и R30 должны быть примерно одинакового номинала, чтобы диапазон работы в автомате был таким же как и при ручном регулировании.

3. В заключение настройки нагружают З.У. на любую нагрузку, с током в пределах 1-2А (сделать это можно в ручном режиме, как указано было в п.1) и подключают последовательно с ней "образцовый" цифровой амперметр. Подбором резистора R13 добиваются идентичности показаний образцового прибора и дисплея З.У. (канал тока). Следует заметить, что токи менее 50мА не будут корректно отображены амперметром З.У. вследствие применения дешевых операционных усилителей DA1,2, но в принципе на этом значении тока такая точность для зарядного устройства и не нужна!

На этом этапе выполнение настройки можно считать оконченной.

4. Также хочу заметить, что если у вас не получается увидеть настроечные параметры, перечисленные в Табл. 1 - причина скорее всего в Вашем программаторе, некорректно прошивающем область памяти данных EEPROM контроллера. Для этого в программе контроллера (версия начиная с 08.04.2013) предусмотрен режим сброса настроек, т.е. контроллер сам себе прошивает эти настройки и теперь даже если такое и произошло, нажав две кнопки "Плюс" и "Минус" одновременно и подав питание на З.У. затем отпустив эти кнопки вы делаете сброс настроек и все становится на свои места! Также сделано чуть большее время для "длинного" нажатия кнопки "Старт" - для более четкого срабатывания процесса запуска автоматической зарядки.

Еще один момент. Для тех, кто собирает данное З.У. в варианте тока зарядки на 10А - ставится в параллель второй транзистор КТ827А, см. схему, а также если есть необходимость сравнительно быстро разряжать аккумуляторы больших емкостей предусмотрен второй разрядный ключик VT11 (см. во второй схеме). Все ранние прошивки поддерживают этот режим.

Рис. 3 Автоматическоезарядное устройство

Рис. 4

батарея аккумулятор емкость

Рис. 5

Рис.6

Рис.7

Рис. 8

Фотка зарядного устройства, сделанного с творческим подходом:

Рис. 9

Размещено на Allbest.ru